Naukowcy zajmujący się materiałami na Uniwersytecie w Minnesocie opracowali nową metodę tworzenia i precyzyjnego kontrolowania mikroskopijnych „defektów” w ultracienkich materiałach. Te wewnętrzne niedoskonałości, formalnie zwane defektami masowymi, stanowią obiecującą ścieżkę do nadania nowej generacji nanomateriałów niespotykanych dotąd właściwości, potencjalnie stymulując znaczący postęp w nanotechnologii.
Zrozumienie defektów głośności
Defekty objętościowe to zaburzenia struktury krystalicznej materiału rozciągające się na stosunkowo dużej powierzchni, w przeciwieństwie do defektów punktowych, które dotyczą pojedynczych atomów. Pomyśl o nieskazitelnej sieci krystalicznej jako o doskonale uporządkowanej siatce cegiełek; wada objętościowa jest jak celowe, starannie umiejscowione przerwanie tej siatki. Wyjątkowość tych defektów polega na tym, że zajmują niewielką objętość, mając jednocześnie znaczący wpływ na właściwości otaczającego materiału.
Osiągnięcie niespotykanej dotąd kontroli
Badania opublikowane w Nature Communications wykazały możliwość inżynierii obszarów w materiale o gęstości tych defektów objętościowych 1000 razy większej niż w obszarach bez wzorca. Ten poziom kontroli ma kluczowe znaczenie, ponieważ umożliwia badaczom dostrojenie właściwości materiałów w określonych obszarach.
„Interesujące w przypadku tych defektów objętościowych jest to, że rozciągają się one po całym materiale, ale zajmują bardzo małą objętość” – wyjaśnia Andre Mkhoyan, profesor na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Nauki o Materiałach na Uniwersytecie w Minnesocie i główny autor badania. „Dokładnie kontrolując te drobne cechy, możemy wykorzystać właściwości zarówno samego defektu, jak i otaczającego go materiału”.
Technika: Tworzenie defektów przy użyciu szablonu
Przełomem zespołu jest nowe podejście do projektowania materiałów. Odkryli, że tworząc na powierzchni maleńkie wzory powodujące defekty przed wyhodowaniem cienkiej warstwy, mogą precyzyjnie kontrolować gęstość i rodzaj defektów objętościowych.
„Znaleźliśmy nowy sposób projektowania materiałów, tworząc maleńkie, powodujące defekty wzory na podłożu przed wyhodowaniem cienkiej warstwy” – mówi Supriya Ghosh, absolwentka laboratorium Mkhoyana i pierwsza autorka artykułu.
Technika ta pozwala na tworzenie materiałów o radykalnie różnych właściwościach w różnych przekrojach. Koncentrując defekty na całej grubości materiału, badacze mogą generować nowe filmy, w których defekty determinują przede wszystkim wzory w nanoskali. Może to prowadzić do radykalnych zmian w zachowaniu materiału.
Szersze implikacje i przyszłe zastosowania
Chociaż początkowe badania koncentrowały się na tlenkach perowskitu, klasie materiałów coraz częściej stosowanych w ogniwach słonecznych i innych zastosowaniach, naukowcy uważają, że technikę tę można zastosować do różnych typów cienkich materiałów. Potencjalne korzyści są znaczące. Toruje drogę do rozwoju urządzeń elektronicznych, które wykorzystują unikalne właściwości zapewniane przez te kontrolowane defekty.
W badaniu wzięli udział Jay Shah, Silu Guo, Mayank Tanwar, Donghwan Kim, Srijit Nair, Matthew Neurok, Turan Birol i Bharat Jalan, wszyscy z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Materiałowej oraz Fengden Liu z Wydziału Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej.
Zasadniczo badanie to pokazuje, że strategiczne wprowadzenie niedoskonałości może odblokować zupełnie nowe funkcje nanomateriałów, torując drogę nowej erze projektowania materiałów.
To innowacyjne podejście do inżynierii materiałowej może zrewolucjonizować nanotechnologię, oferując precyzyjną i wszechstronną metodę tworzenia materiałów o dostosowanych właściwościach w nanoskali.
